有磁介質(zhì)時(shí)的磁場(chǎng)-2015

1網(wǎng)址：/imooc/在聽課前需要登記注冊(cè)可選擇同濟(jì)大學(xué)吳天剛教授的視頻請(qǐng)各位同學(xué)務(wù)必在下次課之前自學(xué)完本章內(nèi)容，下次課考試，考試成績(jī)以一定比例計(jì)入期末成績(jī)！第九章有磁介質(zhì)時(shí)的磁場(chǎng)-本章MOOC教學(xué)2第九章有磁介質(zhì)時(shí)的磁場(chǎng)

§9.1磁介質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)的影響§9.3磁介質(zhì)的磁化

§9.4有磁介質(zhì)時(shí)磁場(chǎng)的規(guī)律§9.5鐵磁質(zhì)△§9.6簡(jiǎn)單磁路§9.2原子、分子的磁矩

3

§9.1磁介質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)的影響

磁介質(zhì)（magneticmedium）是能夠影響磁場(chǎng)分布的物質(zhì)。傳導(dǎo)電流，

介質(zhì)磁化

均勻各向同性介質(zhì)有：μr

─相對(duì)磁導(dǎo)率（relativepermeability）I0I0均勻各向同性磁介質(zhì)長(zhǎng)直密繞螺線管總磁感強(qiáng)度充滿磁場(chǎng)所在空間時(shí)，4▲弱磁質(zhì)，

順磁質(zhì)（paramagneticsubstance）如：Mn，Al，O2，N2…

抗磁質(zhì)（diamagneticsubstance）如：Cu，Ag，Cl2，H2…▲鐵磁質(zhì)（ferromagneticsubstance）

如：Fe，Co，Ni…磁介質(zhì)的分類：某些磁介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率（書P287表9.1）5§9.2原子、分子的磁矩

一.電子的磁矩ISm電子的軌道運(yùn)動(dòng)電流軌道磁矩電子軌道運(yùn)動(dòng)的角動(dòng)量電子軌道磁矩與軌道角動(dòng)量的關(guān)系：電子自旋磁矩和自旋角動(dòng)量S的關(guān)系：6質(zhì)子軌道磁矩中子無軌道磁矩。質(zhì)子和中子都有自旋磁矩：g稱為g因子，質(zhì)子g=5.5857，中子g=

3.8261。整個(gè)原子核的自旋磁矩為核的自旋角動(dòng)量，因子g由原子核決定。由上可知，核磁矩遠(yuǎn)小于電子磁矩。二.質(zhì)子和中子的磁矩三.原子核的磁矩7四.分子磁矩和分子電流(molecularmagneticmoment)(molecularcurrent)i分S分m分8在磁場(chǎng)作用下，§9.3磁介質(zhì)的磁化

磁化（magnetization）：介質(zhì)出現(xiàn)磁性或磁性發(fā)生變化的現(xiàn)象。一.順磁質(zhì)磁化

順磁質(zhì)分子有固有的分子磁矩（主要是電子軌道和自旋磁矩的貢獻(xiàn)），m分

10-23A·m2。熱運(yùn)動(dòng)使完全混亂，不顯磁性。NSimB9二.抗磁質(zhì)的磁化抗磁質(zhì)的分子固有磁矩為0。不顯磁性

附加磁矩

顯示抗磁性為什么反平行于呢？NSiBom△分子附加磁矩形成的經(jīng)典解釋以分子中電子軌道運(yùn)動(dòng)為例軌道角動(dòng)量繞磁場(chǎng)旋進(jìn)電子附加一個(gè)與磁感強(qiáng)度相反的磁矩角動(dòng)量電子軌道磁矩電子軌道磁矩受磁力矩方向：垂直紙面向內(nèi)11三磁化電流順磁質(zhì)在磁場(chǎng)中,它的分子固有磁矩沿外磁場(chǎng)排列起來,如圖所示。

B

由于介質(zhì)磁化而出現(xiàn)的一些等效的附加電流叫磁化電流。順磁質(zhì)的磁化電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)是加強(qiáng)磁介質(zhì)內(nèi)部原磁場(chǎng)的。12抗磁質(zhì)的磁化電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)是削弱磁介質(zhì)內(nèi)部原磁場(chǎng)的。B四.磁化強(qiáng)度與磁化電流

（magnetizationandmagnetizationcurrent）1.磁化強(qiáng)度：

V

宏觀小、微觀大。13對(duì)順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)，

2.磁化電流：對(duì)鐵磁質(zhì)，實(shí)驗(yàn)表明：和呈非線性關(guān)系而且是非單值對(duì)應(yīng)關(guān)系磁化電流的大小反映了磁化的強(qiáng)弱。

實(shí)驗(yàn)表明：對(duì)各向同性的順磁質(zhì)或抗磁質(zhì)，有：叫磁介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率。14

介質(zhì)內(nèi)：穿過L所圍曲面

S的磁化電流則套住dl的分子電流：L放大

i分

S磁介質(zhì)設(shè)分子濃度為n，

S分15

介質(zhì)表面：磁化面電流密度為磁介質(zhì)表面的外正法線方向的單位矢量。16§9.4有磁介質(zhì)時(shí)磁場(chǎng)的規(guī)律

設(shè)：I0─傳導(dǎo)電流，I

─磁化電流。磁介質(zhì)LI0I

一.H的環(huán)路定理有磁介質(zhì)時(shí)，困難：引入新的物理量……17令——磁場(chǎng)強(qiáng)度（magneticfieldintensity）得：——的環(huán)路定理H▲

H的單位：▲真空：奧斯特Oe（CGSM），（Oersted）A/m

（SI）；18▲各向同性磁介質(zhì)：

─磁化率

（magneticsusceptibility）─磁導(dǎo)率（permeability）令則有真空：

=

019二.環(huán)路定理的應(yīng)用舉例[例1]介質(zhì)中閉合回路L所套聯(lián)的分子電流為：證：L可任取，且可無限縮小，故I0=0處，I

=0。L磁介質(zhì)無傳導(dǎo)電流處，也無磁化電流。證明在各向同性均勻磁介質(zhì)內(nèi)，20[例2]一無限長(zhǎng)直螺線管，單位長(zhǎng)度上的匝數(shù)為n，螺線管內(nèi)充滿相對(duì)磁導(dǎo)率為

r的均勻磁介質(zhì)。今通以電流I，求管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁介質(zhì)表面的面束縛電流密度。[例3]一根長(zhǎng)直單芯電纜的芯是一根半徑為R的金屬導(dǎo)體，它和導(dǎo)電外壁之間充滿相對(duì)磁導(dǎo)率為

r的均勻介質(zhì)。今有電流I均勻流過芯的橫截面并沿外壁流回。求磁介質(zhì)中磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布和緊貼導(dǎo)體芯的磁介質(zhì)表面上的束縛電流。21三.磁場(chǎng)的界面關(guān)系，*靜磁屏蔽由可得B1n=B2n(1)設(shè)界面無傳導(dǎo)電流，由可得H1t=H2t(2)即：(2)＇12

1

212

1

222在

1很大的介質(zhì)1中，線幾乎平行界面，這就是鐵磁質(zhì)中線沿鐵芯延續(xù)的情形。若，則，當(dāng)時(shí)，

1

2

1

2

1>>

2

2

190°

223B內(nèi)R2R1鐵管（板面）*靜磁屏蔽計(jì)算表明：

t=1cm時(shí)，k=0.5%。屏蔽系數(shù)若

t=0.1cm時(shí)，k=5%；則精密探頭、顯象管…都需要磁屏蔽。24各電子的自旋磁矩靠交換偶合作用使方向一致，§9.5鐵磁質(zhì)（ferromagneticsubstance）一.磁疇（magneticdomain）從而形成自發(fā)的均勻磁化小區(qū)域——磁疇。鐵磁質(zhì)中起主要作用的是電子的自旋磁矩。未加磁場(chǎng)在磁場(chǎng)B中25各種材料磁疇線度相差較大：磁疇體積約為10-6mm3，一個(gè)磁疇中約有1012~1015個(gè)原子。易磁化方向由晶體結(jié)構(gòu)決定。磁疇磁矩沿某個(gè)易磁化方向(directionofeasy所有的磁疇為什么不形成一個(gè)磁化整體呢？NSNS靜磁能高交換能低NSSN靜磁能低交換能高

矛盾因素協(xié)調(diào)平衡，才使鐵磁體整體能量最低。magnetization)排列。從10-3m到10-6m，一般為10-4~10-5m，26二.鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律鐵磁質(zhì)關(guān)系非線性，也不單值，形式上表示為也不唯一。1.起始磁化曲線由此可得到B~H曲線：試件磁通計(jì)nSI0

I027

i─起始磁導(dǎo)率；

m─最大磁導(dǎo)率。

巴克豪森效應(yīng)（Barkhauseneffect），BN跳躍躍變放大B～HBSB

～HH0Scba金相結(jié)構(gòu)分析，測(cè)晶粒度、且是無損探測(cè)、快捷簡(jiǎn)便。雜質(zhì)分布、應(yīng)力分布，

，BS─

飽和磁感強(qiáng)度(saturationmagneticinduction)；可用作28BN跳躍躍變放大B～HBSB

～HH0ScbaH

H

H

bSaH=00（可逆）（不可逆）（不可逆）（飽和）29磁滯回線HHc-HcSBSBrB-BS-Br02.磁滯回線（hysteresisloop）B落后于H的變化，稱為磁滯現(xiàn)象。Br—剩余磁感強(qiáng)度

（remanentmagneticinduction）Hc—矯頑力（coerciveforce）磁滯是由于晶體缺陷和內(nèi)應(yīng)力、“磁滯損耗”

（hysteresisloss）

正比于B~H回線所圍的面積。以及磁疇在外磁場(chǎng)減退時(shí)，沿易磁化方向排列而造成的。就近30三.硬磁和軟磁材料1.硬磁材料（hardmagnetiematerial）特點(diǎn)：磁滯損耗大，適合制作永久磁鐵、碳鋼、鎢鋼HHcBrBBr也大，磁芯（記憶元件）等。Hc大（>102A/m），一般Hc

為104-106A/m，一般為103-104G。磁滯回線“胖”，31“矩磁材料”可作記憶元件Br-Br“0”“1”BBrHcH-Hc-Br32

2.軟磁材料（softmagneticmaterial）Hc小（<102A/m），

磁滯回線“瘦”，磁滯損耗小，適于制作交流電磁鐵、變壓器鐵芯等。純鐵、硅鋼HBHcBr

坡莫合金(Fe78%、Ni22%)用于電子設(shè)備HBBrHc特點(diǎn)：一般約Hc

為1A/m。33四.居里點(diǎn)（Curiepoint）（自發(fā)磁化減弱）（磁疇瓦解，表現(xiàn)順磁性）Tc是失去鐵磁性的臨界溫度，稱“居里點(diǎn)”。Fe：Tc=767℃Ni：Tc=357℃Co：Tc=1117℃34五.磁致伸縮—

磁致伸縮。長(zhǎng)度相對(duì)改變約10-5量級(jí)，溫下可達(dá)10-1；某些材料在低磁致伸縮有一定固有頻率，化頻率和固有頻率一致時(shí)，發(fā)生